隐身那些事儿（上）——讲述隐身技术发展及应用的故事

　　历史上 RCS 计算问题的解决颇有一些戏剧性。早在 1953 年，美国数学家约瑟夫•B 科勒提出了几何绕射理论，通过积分方程来精确描述电磁波的绕射效应，但该理论只能分析几种极简单的几何结构，最初在美国并没有引起很大反响。1962 年，莫斯科大学无线电工程专业的首席科学家乌菲姆谢夫受到几何绕射理论和另一美国人克莱莫提出的边缘电流理论启发，在《莫斯科学院无线电工程学报》上发表了一篇名为“物理衍射理论中的边缘波行为”（Method of Edge Waves in the Physical Theory of Diffraction）的论文，其中阐述了几个非常重要的结论：

　　①. 物体对雷达电磁波的反射强度和物体的尺寸大小无关，而和边缘布局有一定数学比例关系；

　　②. 远绕射场可以近似为镜面反射场加上一个修正量，而这个修正量可以用绕射系数来描述，并且该修正量可以等效为由一个边缘电流所产生；

　　③. 说明了如何计算导体表面和边缘的雷达反射面。

　　根据他的理论，导电体的雷达散射截面积是可以精确计算逼近的，而且无论飞机大小轻重，都可以被设计成能够“隐身”的。由于当时前苏联官员对隐身的概念和重要性还没有什么认识，经过官方审查后，这项后来被证明在隐身技术发展史上具有重大奠基性意义的理论被认为是没有军事价值的，因此完全没有采取任何保密措施，论文得以公开出版。而在同一时期，为了收集了解苏联在雷达技术方面取得的进展，美国空军收集和翻译了大量俄文文献，1971 年 9 月 7 日，乌菲姆谢夫的理论被美国空军司令部怀特-帕特森分局的国外科技处翻译成了英文。当 1975 年洛克希德的工程师丹尼斯•奥瓦霍塞正在为解决 RCS 计算正确性问题走投无路时发现了这个英译版，立刻意识到该理论很适合于精确计算飞机的雷达散射截面积，因为这个平面中的边缘电流效应是可累加的，即复杂物体的散射场可以模拟成众多细小的平面反射场加上所有边缘电流的总效应，而边缘电流的电磁场效应是可以精确计算的，依据该理论完全可以解决困扰多年的 RCS 计算问题。几个月后，这套理论方法就被融汇编写进了臭鼬工厂的“ECHO-1”RCS 计算软件中，并依靠这套软件完成了 F-117 战斗机的隐身设计，而此时前苏联的官员们对由于自己的无知评判拱手送出的大礼包还毫无知觉。如果没有这次乌龙事件，也许 RCS 计算和工程实用化的工作还只能继续依靠摸索、猜测和试验积累缓步推进，隐身技术的鼎盛时期也不会这么快到来。

图 13、乌菲姆谢夫是现代隐身技术理论奠基人之一

乌菲姆谢夫的论文在西方公开出版

　　战斗机的外形构成包含了大的方面气动布局和小的方面大量具有复杂形状和组合关系的细节部件，在高频电磁波区域，除了各类部件自身具备的 RCS 特征贡献外，还需要考虑部件组合在一起以后的多重耦合效应，因此要比较精确的计算一架飞机的整体 RCS 是一项非常复杂且计算量十分庞大的高难度工作。根据合适的理论和计算方法构建算法，并利用高速计算机进行模拟演算，可以在相对短的时间内找到最适合既定气动布局和隐身指标要求的降低外形可探测性方案，再通过不同比例的样机进行微波试验全面验证优化，最终设计制造出符合设计目标要求的隐身战机。对于采用传统设计未经隐身处理的战斗机，在机身上会存在一些具有高散射特征的区域或部位，这些部位是构成整机 RCS 大小和特征的主要源头或称“亮点”，如图14。如果采取适当的隐身措施对这类“亮点”进行局部改造，降低该区域散射能量水平，综合起来就可以显著降低战机整体的可探测性，达到在相关方位角降低雷达发现距离和压缩反应时间，以较小的成本和性能代价换来提高战场生存力的目的，这也正是近年来对三代战机进行降低雷达散射截面改造提升到三代半的主要思路。

图 14、米格-25 的非隐身特征

4、雷达吸波材料的进步

　　在雷达探测和隐身理论技术不断发展的时候，对雷达吸波材料的研究也在同步推进前行中。雷达吸波材料的产生起源于早期的介电材料导电性研究，在实验中先后发现了两类具有吸波特性的介质，一类是宽频吸收型，一类是谐振型介质，例如碳和铁氧体磁性材料。在后续对吸波效果的探索研究中，又演进出了两种物理实现形式，即涂敷型和结构化型（RAM）吸波材料，其中涂敷型材料可用于表面喷涂，但不具备承力特性，而结构化材料可用于承力部位。不同的隐身材料实际基本形式都是这四种因素的组合。

　　谐振型吸波材料的基本设计思想是针对特定波长，构造一种具有 1/4 波长厚度的介质材料衬以金属反射底板，当进入介质并被金属底板反射回表面的部分电磁波与介质表面直接反射的部分电磁波叠加时，因为前者来回多走了半个波长，其相位刚好与后者相反，于是互相干涉对消，如图 15。但这种材料只对特定波长有效，且物理体积和重量与波长有关，比较笨重，适用性比较差。

 

图 15、谐振型吸波材料原理示意图

　　之后又设计出了介电型吸波材料，这种材料表面是一层透波薄片，中间是可以将电磁能量转化为热能的介电材料，如碳，通过电阻耗能使得最终散射出去的能量减少。测试发现这种材料效果并不理想，于是又推出了基于铁氧体磁性介质的吸波材料，由于材料中的磁偶极子随着入射波谐振运动而耗能，最终同样达到减弱散射能量的效果，厚度合适的话还能把干涉和耗能衰减两种效应结合起来。最关键的是这种材料本身极易与橡胶混合并保持谐振特性，而橡胶又很容易制成薄片胶贴到机身表面，所以这种吸波材料在上世纪 50 年代最先应用在了飞机隐身上。

　　为了拓宽吸波材料的吸波频带范围，早期专家们曾通过叠加多层电阻率逐渐降低的吸波材料，初步实现了较宽频带的吸波，这种材料也叫乔曼材料。二战时期德国希望研制一种用于潜艇表面隐身（水面航行时）的材料，当时的方法是 7 层导电率不断降低的含碳纸，每层间用不导电的泡沫塑料薄层分割。可以吸收 3 厘米和 10 厘米两种波段电磁波，但材料本身厚度达 6.35 厘米且很难弯曲，最后未能投入实用。